On physical aspects of cabin architectures using tolerancing methods

Abstract

In the conceptual design phase for the development of aircraft cabins the question about product architectures, spatial, mechanical and functional interfaces as well as the integration into the fuselage play a central role. While functional aspects are in the foreground for the conceptual design of cabin systems like the air distribution system or data systems, the architectures of the cabin modules like the stowage bins and the entire lining panels of the passenger compartment are mainly characterized by interdependencies between physical aspects, in particular between the geometrical shape, mechanical, functional and operational behavior as well as manufacturing aspects. The physical interfaces between the cabin modules, the fuselage structures and the attachment brackets are of high relevancy. Tolerance management, which defines the repercussions of tolerances already in the early conceptual phase of product development, here accomplishes important tasks. It can provide the required interconnection between geometrical shape, manufacturing-related deviation from nominal size, mechanical-functional behavior and the wide field of repercussions on manufacturing – in particular on the final assembly line. The analysis of physical aspects of cabin architectures consequently becomes a problem exceeding pure geometrical considerations. For this reason, methods based on a geometry paradigm for the generation and analysis of product data considering only geometrical aspects reach their limits concerning their validity for physical architecture aspects. On the other hand, the consideration of additional product data models in parallel is time-consuming. In particular, if several technical scenarios need to be compared, analysis methods like tolerance calculations are often omitted, since the relation between the modeling time and the validity of the calculation results based on values coming from heuristic or synthetic estimation procedures seems to be too unfavorable. In contrast, modern model-based methods, such as for instance, graph-based design languages enable interdisciplinary product models which are customized exactly to the needs of the respective problem. In addition to this, approaches with design languages comprising design rules offer the possibility for a fast and reproducible generation and modification of product data models. In the context of this dissertation so-called cabin design languages are developed that can describe and model physical aspects of cabin architectures including tolerancing. Key aspects of these design languages are the concepts of ‘physical components’ and ‘physical interfaces’ along with the associated aspects for physical integration like tolerances and installation processes. The implementation of these design languages consists of an extensive cabin-specific class diagram and a set of graph-based rules which together allow generating and calculating multiple variants of a technical scenario. The classes and rules also comprise synthetic estimations for component tolerances or masses, for example. The software-based implementation additionally provides routines which transform the compiled cabin models into analysis and visualization models. Amongst other, this comprises automatized means for the preparation of tolerance analyses, the calculation of analysis parameters in terms of ‘metrics’, the conceptual representation of manufacturing processes or the exchange of product data models. A use case demonstrates the practical benefit of executable design languages for the named problem. A cabin segment including the corresponding design rules is modeled. By means of parametrical and topological changes, several technical scenarios including the corresponding analysis and visualization models can be generated and evaluated. The following discussion examines the applicability of the presented method for industrial praxis. It shows, that conceptual tolerance management in conjunction with further analysis methods and supported by design languages can play a primary role for the industrial evaluation of physical aspects of cabin architectures in the conceptual design phase.

In der Konzeptphase der Entwicklung von Flugzeugkabinen spielen die Fragen nach Produktarchitektur, nach räumlichen, mechanischen und funktionalen Schnittstellen und nach der Integration in den Rumpf eine zentrale Rolle. Während bei der Konzeptionierung von Kabinensystemen wie der Luftversorgung oder den Datensystemen funktionale Aspekte im Vordergrund stehen, ist die Architektur der Kabinenmodule wie die der Gepäckfächer und der gesamten Verkleidungselemente des Passagierraumes hauptsächlich gezeichnet von wechselseitiger Abhängigkeit physischer Gesichtspunkte, insbesondere zwischen geometrischer Gestalt, mechanischem, funktionalem und operationellem Verhalten sowie Fertigungsaspekten. Von großer Bedeutung sind die physischen Schnittstellen zwischen Kabinenmodulen, der Rumpfstruktur und den Halterelementen. Das Toleranzmanagement, welches die Auswirkungen von Toleranzen schon in der frühen Konzeptphase der Produktentwicklung festlegt, übernimmt hierbei wichtige Aufgaben. Damit kann die nötige Verbindung zwischen geometrischer Gestalt, den fertigungsbedingten Abweichungen von Nominalmaßen, mechanisch-funktionalem Verhalten und den weitreichenden Auswirkungen auf die Fertigung – speziell auf die Endmontagelinie – gezogen werden. Die Analyse physischer Architekturaspekte von Flugzeugkabinen wird damit zu einer Problemstellung, die über rein geometrische Betrachtungen hinausgehen muss. Aus diesem Grund stoßen auch Methoden basierend auf einem Geometrieparadigma zur Generierung und Analyse von Produktdaten, die nur geometrische Aspekte berücksichtigen, an ihre Grenzen bezüglich der Aussagekraft über physische Architekturaspekte. Die parallele Betrachtung zusätzlicher Produktdatenmodelle dagegen ist zeitaufwendig. Insbesondere wenn mehrere technische Szenarien verglichen werden müssen, wird auf Analyseverfahren wie Toleranzberechnungen oftmals verzichtet, da das Verhältnis zwischen der Zeit für das Modellieren und der Aussagekraft von Rechenergebnissen basierend auf Werten gewonnen aus heuristischen oder synthetischen Schätzverfahren zu ungünstig erscheint. Moderne modellbasierte Methoden, wie beispielsweise graphenbasierte Entwurfsprachen, ermöglichen dagegen interdisziplinäre Produktmodelle, die genau an die Bedürfnisse der jeweiligen Fragestellung angepasst sind. Zusätzlich dazu bieten Ansätze mit Entwurfsprachen durch die Abbildung der Entwurfsregeln die Möglichkeit, Datenmodelle schnell und wiederholbar zu generieren und zu modifizieren. Im Rahmen dieser Dissertation werden sogenannte Kabinenentwurfssprachen (engl. cabin design languages) entwickelt, welche physische Aspekte von Kabinenarchitekturen inklusive Toleranzmethoden beschreiben und abbilden können. Zentrale Aspekte dieser Entwurfsprachen sind die Begriffe „physische Komponente“ und „physische Schnittstelle“ mit den damit verbundenen physischen Integrationsaspekten wie Toleranzen oder Installationsabläufe. Die Implementierung dieser Entwurfsprachen beinhaltet ein umfangreiches kabinenspezifisches Klassendiagramm und ein graphenbasiertes Regelwerk, welche gemeinsam ermöglichen, verschiedene Varianten eines technischen Szenarios zu erzeugen und zu berechnen. Die Klassen und Regeln schließen auch synthetische Abschätzgleichungen, zum Beispiel für Bauteiltoleranzen oder Komponentengewichte, mit ein. Die softwarebasierte Umsetzung sieht zusätzlich Routinen vor, welche fertig kompilierte Kabinenmodelle in Analyse- und Visualisierungsmodelle transformieren. Dies beinhaltet unter anderem auto-matisierte Methoden zur Vorbereitung von Toleranzanalysen, zur Berechnung von Analyseparametern im Sinne von „Metriken“, zur konzeptionellen Darstellung der Fertigungsabläufe oder zum Austausch von Produktdatenmodellen. Ein konkreter Anwendungsfall demonstriert den praktischen Nutzen ausführbarer Entwurfsprachen für die benannte Problemstellung. Dabei wird ein Kabinensegment mitsamt den dazugehörenden Entwurfsregeln modelliert. Mithilfe parametrischer und topologischer Veränderungen können mehrere technische Szenarien inklusive der entsprechenden Analyse- und Visualisierungsmodelle erzeugt und ausgewertet werden. Mit der anschließenden Diskussion wird die Anwendbarkeit der vorgestellten Methodik in der industriellen Praxis betrachtet. Es zeigt sich, dass konzeptionelles Toleranzmanagement in Verbindung mit weiteren Analysemethoden durch die Unterstützung von Entwurfsprachen eine tragende Rolle für die industrielle Bewertung physischer Aspekte von Kabinenarchitekturen in der Konzeptphase spielen kann.